面向多CAD平臺(tái)的航空緊固件數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)研究與實(shí)現(xiàn)

曹 平 蔡金輝

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

面向多CAD平臺(tái)的航空緊固件數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)研究與實(shí)現(xiàn)

曹 平 蔡金輝

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

分析了當(dāng)前零件庫(kù)的局限性和緊固件數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)的需求，研究了事物特性表設(shè)計(jì)、中性零件模型表達(dá)和零件簇構(gòu)造等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了中性模型生成工具、緊固件管理系統(tǒng)、CATIA/UG/STEP接口等軟件，實(shí)現(xiàn)了“數(shù)據(jù)即標(biāo)準(zhǔn)”，“一次建模、多次使用”，“所見即所得”，“過程特征完整保留”等應(yīng)用特點(diǎn)。

數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)；緊固件；中性格式；多平臺(tái)

緊固件標(biāo)準(zhǔn)目前主要是以文本的形式存在，標(biāo)準(zhǔn)中的幾何/非幾何信息必須通過人工的閱讀、解釋和操作才能被使用。隨著航空制造業(yè)數(shù)字化水平的大幅提升，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的形式、形態(tài)和使用模式，受到了全方位的沖擊和挑戰(zhàn)。未來(lái)的趨勢(shì)是：標(biāo)準(zhǔn)將作為一系列“數(shù)據(jù)模塊”進(jìn)行發(fā)布和管理，而不再是一堆紙型的圖表文件。用戶（包括人、機(jī)器和軟件）能夠方便地根據(jù)自身的需求以恰當(dāng)?shù)男问绞褂眠@些“數(shù)據(jù)模塊”。標(biāo)準(zhǔn)信息無(wú)論是送達(dá)最終用戶還是與其它系統(tǒng)集成，都無(wú)需再進(jìn)行任何人工的閱讀、解釋和操作，因?yàn)閿?shù)據(jù)本身就成為一種“標(biāo)準(zhǔn)”，即數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)。所謂數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)（Database Format Standard）是指標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容以數(shù)據(jù)集為主，使用元數(shù)據(jù)或模型描述，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，發(fā)布后在線更改和使用的標(biāo)準(zhǔn)。在數(shù)字化研制條件下，將緊固件標(biāo)準(zhǔn)中的信息轉(zhuǎn)化為可供多個(gè)CAD平臺(tái)直接使用的數(shù)據(jù)庫(kù)和模型，并形成數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)前面臨的課題。

1 緊固件數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)與需求

1.1 現(xiàn)狀分析

在國(guó)內(nèi)航空制造業(yè)中，各主機(jī)廠所及相關(guān)單位大多自行建立了各種基于CATIA/UG軟件平臺(tái)的零件庫(kù)，但是這些零件庫(kù)與“數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)”相比，還存在較大的局限性，具體表現(xiàn)如下。

1.1.1 不符合標(biāo)準(zhǔn)的通用性特點(diǎn)

現(xiàn)有的零件庫(kù)都基于某種特定的CAD平臺(tái)建立的，僅適用于一種CAD平臺(tái)，平臺(tái)的依賴性和關(guān)聯(lián)性非常強(qiáng)。

1.1.2 不符合標(biāo)準(zhǔn)的完整性特點(diǎn)

現(xiàn)有的零件庫(kù)都是以幾何模型為主，缺乏非幾何信息，如重量、表面處理等。

1.1.3 不符合標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性特點(diǎn)

現(xiàn)有的零件庫(kù)沒有嚴(yán)格按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，導(dǎo)致各單位各企業(yè)命名方式、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一。

1.1.4 不具備標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)威性特點(diǎn)

現(xiàn)有的零件庫(kù)中的數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)的認(rèn)證發(fā)布，存在不少錯(cuò)誤，權(quán)威性不夠。

1.2 技術(shù)需求分析

針對(duì)傳統(tǒng)零件庫(kù)的局限性，并通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)屬性進(jìn)行分析，認(rèn)為航空緊固件數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)必須滿足以下技術(shù)需求：

1.2.1 提供一種平臺(tái)無(wú)關(guān)的中性數(shù)據(jù)模型

支持多CAD平臺(tái)，并至少提供航空常用平臺(tái)的應(yīng)用轉(zhuǎn)換接口，如CAITA、UG平臺(tái)。

1.2.2 覆蓋傳統(tǒng)緊固件標(biāo)準(zhǔn)的所有信息

包括尺寸、公差、配合、重量、材料、表面處理、熱處理、技術(shù)條件、標(biāo)記示例、夾持厚度、性能安裝以及制造等所有相關(guān)信息。

1.2.3 提供的數(shù)據(jù)模型能夠被統(tǒng)一重用

模型轉(zhuǎn)換后，草圖、特征、屬性、色彩、裝配等信息均可得以完整保留，以便用戶能夠統(tǒng)一重用這些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型。

1.2.4 提供權(quán)威性的管理和維護(hù)機(jī)制

提供方便的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的發(fā)布、查詢和維護(hù)機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)威性和及時(shí)性。

2 緊固件中性建模技術(shù)研究

在數(shù)字化條件下，要實(shí)現(xiàn)緊固件文本標(biāo)準(zhǔn)中的信息轉(zhuǎn)化為可供多個(gè)CAD平臺(tái)直接使用的數(shù)據(jù)庫(kù)和模型，其核心就是緊固件中性建模技術(shù)。中性建模技術(shù)涉及的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括事物特性表設(shè)計(jì)、零件中性模型表達(dá)以及零件簇構(gòu)造等。

2.1 事物特性表設(shè)計(jì)

中性建模技術(shù)的本質(zhì)是事物特性表技術(shù)。事物特性表是一種面向字符的ASCII文件，是將所描述的事物對(duì)象的特性按一定的格式排列起來(lái)的圖表。事物特性表詳細(xì)描述產(chǎn)品對(duì)象的功能特性、結(jié)構(gòu)特性（形狀、材料、精度等）和工藝特性等，支持有效的檢索和變型設(shè)計(jì)，適用于進(jìn)行尺寸變型的組織產(chǎn)品設(shè)計(jì)。依據(jù)GB/T10091《事物特性表》規(guī)定的方法，完成緊固件事物特性表的定義，如表1所示，無(wú)論CAD平臺(tái)如何改變，已建成的數(shù)據(jù)表不必改動(dòng)。

表1 某緊固件事物特性表示例

2.2 零件中性模型表達(dá)

三維CAD系統(tǒng)創(chuàng)建的實(shí)體模型所包含的信息大致可分為幾何元素（點(diǎn)、線、曲面等）、拓?fù)湓兀旤c(diǎn)、棱、面、體等）、特征（孔、型腔、拉伸等）、工作坐標(biāo)系、零件的物理特性（體積、表面積、質(zhì)量）等。要想實(shí)現(xiàn)這些信息的中性表達(dá)，必須采用一種能夠跨平臺(tái)的語(yǔ)言進(jìn)行表達(dá)?？紤]到XML具有跨平臺(tái)、可擴(kuò)展、應(yīng)用廣等優(yōu)點(diǎn)，本文最終采用XML進(jìn)行實(shí)體模型的精確描述。以拉伸特征為例，其空間造型特征信息表達(dá)如圖1所示。

圖1 零件拉伸特征的XML描述

2.3 零件簇構(gòu)造

對(duì)于緊固件來(lái)說(shuō)，一種緊固件往往包含成千上百個(gè)規(guī)格，具有典型的零件簇特征。借鑒CATIA和UG等成熟軟件平臺(tái)的經(jīng)驗(yàn)，選用“主模型+參數(shù)表”的結(jié)構(gòu)，建立零件簇，如圖2所示。其中，主模型文件除含默認(rèn)幾何尺寸信息外，最關(guān)鍵的是保留有幾何造型特征信息，而參數(shù)表主要用于驅(qū)動(dòng)模型幾何，在參數(shù)表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，以緊固件事物特性表為依據(jù)。

圖2 零件簇構(gòu)造示例

3 緊固件數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)

3.1 總體架構(gòu)

航空緊固件數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)分為3個(gè)子系統(tǒng)：中性建模子系統(tǒng)、緊固件管理子系統(tǒng)、緊固件模型轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)（包括CATIA、UG和STEP接口）（如圖3所示）。緊固件中性建模子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)規(guī)則化建模、模型格式轉(zhuǎn)換以及中性模型存儲(chǔ)等功能；緊固件管理子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)模型在線3D瀏覽、模型查詢、參數(shù)化驅(qū)動(dòng)、模型及參數(shù)管理等功能。緊固件模型轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)模型轉(zhuǎn)換、特征和屬性還原、模型下載和調(diào)用。

圖3 緊固件數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)總體架構(gòu)

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

用戶通過WEB瀏覽器登錄前臺(tái)系統(tǒng)后，可通過目錄分類瀏覽或檢索功能兩種途徑來(lái)找到所需緊固件標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在確定具體某個(gè)緊固件后，可通過參數(shù)配置功能來(lái)選取具體規(guī)格型號(hào)，同時(shí)可實(shí)時(shí)預(yù)覽3D模型，幾何、非幾何參數(shù)及安裝信息，2D圖形及PDF標(biāo)準(zhǔn)文檔等；用戶可以對(duì)3D模型及PDF標(biāo)準(zhǔn)附件等的下載，也可將3D模型直接插入至CATIA或UG NX軟件后進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)。如圖4和圖5所示。

3.3 應(yīng)用特點(diǎn)

航空緊固件數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了緊固件傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中所有信息（包括幾何信息和非幾何信息），保證了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的完整性；實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)文本向數(shù)據(jù)庫(kù)和模型轉(zhuǎn)變，保證了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的通用性；提供了基于網(wǎng)絡(luò)的發(fā)布和維護(hù)機(jī)制，保證了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性；由專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)對(duì)航空緊固件數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理和維護(hù)，保證了標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)威性。因此，基本符合數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)的要求，且與一般的零件庫(kù)相比，具有以下應(yīng)用特點(diǎn)。

圖4 緊固件數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)主界面

圖5 緊固件數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)頁(yè)面

3.3.1 將文本標(biāo)準(zhǔn)變成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模塊，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)即標(biāo)準(zhǔn)”

標(biāo)準(zhǔn)將作為一系列“數(shù)據(jù)模塊”進(jìn)行發(fā)布和管理，而不再是一堆紙型的圖表文件。用戶（包括人、機(jī)器和軟件）能夠方便地根據(jù)自身的需求以恰當(dāng)?shù)男问绞褂眠@些“數(shù)據(jù)模塊”。標(biāo)準(zhǔn)信息無(wú)論是送達(dá)最終用戶還是與其他數(shù)據(jù)整合，都無(wú)需再進(jìn)行任何人工的閱讀、解釋和操作，因?yàn)閿?shù)據(jù)本身就成為一種“標(biāo)準(zhǔn)”。

3.3.2 基于XML的3D模型中性表達(dá)，實(shí)現(xiàn)“一次建模，多次使用”

利用XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3D模型的中性表達(dá)，即與CAD平臺(tái)不相關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)人員只需一次建模，便可通過接口程序?yàn)槎鄠€(gè)CAD平臺(tái)提供唯一的權(quán)威的緊固件標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了模型 “一次建模，多次使用”的跨平臺(tái)服務(wù)，滿足標(biāo)準(zhǔn)通用性要求。

3.3.3 中性模型無(wú)損導(dǎo)入目標(biāo)CAD系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“過程信息完整保留”

使用者通過運(yùn)用數(shù)據(jù)接口可將零部件數(shù)據(jù)無(wú)損導(dǎo)入目標(biāo)CAD系統(tǒng)，其格式和質(zhì)量與本地建模無(wú)異，草圖、特征、色彩、裝配等信息均可得以完整保留，解決了STEP等中性格式應(yīng)用中，模型不可更改和過程信息丟失等問題，滿足標(biāo)準(zhǔn)完整性要求。

3.3.4 實(shí)時(shí)的在線輕量化3D模型顯示，實(shí)現(xiàn)“所見即所得”

用戶在線選擇或輸入緊固件配置參數(shù)，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)生成相應(yīng)規(guī)格的數(shù)據(jù)模型，然后通過輕量化實(shí)時(shí)顯示對(duì)應(yīng)的三維模型，用戶可以在線對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放等3D操作，為用戶提供了所見即所得的使用效果，提高標(biāo)準(zhǔn)的使用體驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以航空緊固件標(biāo)準(zhǔn)為對(duì)象，解決了緊固件傳統(tǒng)文本標(biāo)準(zhǔn)因需人工解釋和操作導(dǎo)致應(yīng)用偏差和低效的問題，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)的編制、發(fā)布和使用產(chǎn)生重要的影響。數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)一般比較適合于數(shù)據(jù)集類的標(biāo)準(zhǔn)，如圖形符號(hào)類、數(shù)據(jù)元類、標(biāo)準(zhǔn)件類、元器件類、通用材料類、通用制造資源類、典型工藝知識(shí)類等，未來(lái)可加強(qiáng)這方面數(shù)據(jù)庫(kù)型式標(biāo)準(zhǔn)的研究與應(yīng)用。

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（編輯：勞邊）

表1 2008年以來(lái)歷年各項(xiàng)指標(biāo)的完成情況

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（編輯：勞邊）

V229+.1

C

1003–6660（2014）01–0045–04

[收修訂稿日期] 2013-10-08